JPH09116169A - Semiconductor quantum dot device and method of using the same - Google Patents
Semiconductor quantum dot device and method of using the sameInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体量子ドット装
置及びその使用方法に関するものであり、特に、積層さ
れた量子ドット間のキャリアの輸送現象を磁場によって
制御するようにした半導体量子ドット装置及びその使用
方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor quantum dot device and a method of using the same, and more particularly to a semiconductor quantum dot device and a semiconductor quantum dot device adapted to control a carrier transport phenomenon between stacked quantum dots by a magnetic field. It is about how to use it.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、情報処理能力の大きな記録媒体と
して、磁気ディスクが用いられており、この磁気ディス
クの読み取りのための磁気ヘッドの材料としてMR(M
agneto−resistance)材料や、GMR
(Giant Magneto−resistanc
e)材料が用いられている。2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic disk has been used as a recording medium having a large information processing capability, and MR (M
agneto-resistance) materials and GMR
(Giant Magneto-resistance
e) Material is used.
【0003】特に、GMR材料は将来の高感度素子とし
て注目を集めているが、GMR材料は温度による特性の
劣化が激しく、また、消費電力が大きいため、実用化に
は様々な問題がある。In particular, GMR materials have been attracting attention as high-sensitivity elements in the future, but GMR materials have various problems in practical use because their characteristics are severely deteriorated by temperature and their power consumption is large.
【0004】また、チャネル層として半導体を用いたホ
ール効果素子等の半導体感磁性素子は、ホール電圧VH
は磁束密度Bおよびチャネル層の厚みdで決まるため、
即ち、VH =RH ・B・I/d(RH はホール係数、I
はホール効果素子を流れる電流)であるので、感磁率
(VH /B)はI/dの値に依存するが、流せる電流値
には限界があり、また、チャネル層を薄くするにも限界
があるので、感磁率を十分大きく取ることができなかっ
た。Further, a semiconductor magneto-sensitive element such as a Hall effect element using a semiconductor as a channel layer has a Hall voltage V H
Is determined by the magnetic flux density B and the thickness d of the channel layer,
That is, V H = R H · B · I / d (where R H is the Hall coefficient, I
Is the current flowing through the Hall effect element), so the magnetic susceptibility (V H / B) depends on the value of I / d, but there is a limit to the amount of current that can flow, and there is also a limit to how thin the channel layer can be made. Therefore, the magnetic susceptibility could not be made sufficiently large.
【0005】一方、最近半導体中に微細な量子ドット
(量子箱)を形成する技術が生まれてきており、この量
子ドットを用いたフォトホールバーニングメモリや3次
元量子井戸半導体レーザ、或いは、単電子トンネルトラ
ンジスタ等の新機能素子が提案されている。On the other hand, recently, a technique for forming fine quantum dots (quantum boxes) in a semiconductor has been born, and a photo hole burning memory using this quantum dot, a three-dimensional quantum well semiconductor laser, or a single electron tunnel. New functional devices such as transistors have been proposed.
【0006】量子ドットは、そのサイズが300Å以下
と小さく、密度を非常に大きく取ることが可能であり、
また、そのエネルギー準位が3次元的に量子化されて一
定のエネルギー状態しか許容されないので、通常の半導
体や他の量子井戸、即ち、1次元量子井戸、或いは、2
次元量子井戸(量子細線)と異なる際立った特徴を有し
ている。Quantum dots have a size as small as 300 Å or less and can have a very high density.
In addition, since the energy level is quantized three-dimensionally and only a certain energy state is allowed, a normal semiconductor or another quantum well, that is, a one-dimensional quantum well, or 2
It has distinctive features different from the dimension quantum well (quantum wire).
【0007】この様な量子ドットを製造する方法は各種
提案されているが、最近、GaAs基板上に、GaAs
とは格子定数の異なるInAsをエピタキシャル成長さ
せることにより、歪みエネルギーの関係でInAs量子
ドットを自己発生的に形成することが提案されている
(例えば、Y.SUGIYAMA,Y.NAKATA,
K.IMAMURA,S.MUTO,N.YOKOYA
MA,ExtendedAbstracts of t
he 1995 InternationalConf
erence on Solid State Dev
ices and Materials,Osaka,
1995−8,p.773〜775参照)ので、図6を
参照して説明する。なお、図6は、TEM(透過型電子
顕微鏡)写真を模写したものである。Various methods for producing such quantum dots have been proposed. Recently, GaAs has been formed on a GaAs substrate.
It has been proposed that InAs quantum dots are self-generated due to strain energy by epitaxially growing InAs having different lattice constants (for example, Y. SUGIYAMA, Y. NAKATA,
K. IMAMURA, S.M. MUTO, N.M. YOKOYA
MA, Extended Abstracts of
he 1995 International Conf
erence on Solid State Dev
ices and Materials, Osaka,
1995-8, p. 773 to 775), the description will be made with reference to FIG. Note that FIG. 6 is a copy of a TEM (transmission electron microscope) photograph.
【0008】図6(a)参照 まず、(001)面のGaAs基板(図示せず)上に、
510℃の基板温度条件でMBE法(分子線エピタキシ
ャル成長法)を用いて、厚さ200nmのGaAsバッ
ファ層61を介して厚さ1.8ML(monolaye
r:単原子層)のInAs層62、厚さ10nmのGa
Asスペーサ層63、厚さ1.8ML(monolay
er:単原子層)のInAs層62、及び、厚さ150
nmのGaAsバリア層64を連続して成長させる。な
お、1.8MLとは、原子の供給量として1MLの成長
に必要な供給量の1.8倍の原料を供給した場合に成長
するエピタキシャル層の名目的な厚さを表すものであ
る。Referring to FIG. 6A, first, on a (001) plane GaAs substrate (not shown),
Using the MBE method (molecular beam epitaxial growth method) under the substrate temperature condition of 510 ° C., the thickness of 1.8 ML (monolayer) is formed via the GaAs buffer layer 61 having a thickness of 200 nm.
r: monoatomic layer) InAs layer 62, Ga having a thickness of 10 nm
As spacer layer 63, thickness 1.8 ML (monolay)
er: monoatomic layer) InAs layer 62 and thickness 150
nm GaAs barrier layer 64 is grown continuously. Note that 1.8 ML represents the nominal thickness of the epitaxial layer that grows when the raw material is supplied in 1.8 times the supply amount required to grow 1 ML as the supply amount of atoms.
【0009】この場合、歪みエネルギーの関係で横方向
の大きさが30nm以下の複数のInAs量子ドット6
5が自動的に形成されると共に、InAs量子ドット6
5の間はIn0.2 Ga0.8 As程度の組成のウェッテイ
ングレイヤー(wetting layer)66が形
成される。In this case, a plurality of InAs quantum dots 6 having a lateral size of 30 nm or less due to strain energy are used.
5 is automatically formed, and InAs quantum dots 6 are formed.
During the period 5, a wetting layer 66 having a composition of about In 0.2 Ga 0.8 As is formed.
【0010】また、この一層目のInAs量子ドット6
5が形成されるとその上の歪みも大きくなるために、一
層目のInAs量子ドット65に略整合するように縦方
向に量子ドット列が形成される。Further, the InAs quantum dots 6 of the first layer
When No. 5 is formed, the strain on the No. 5 also increases, and therefore a quantum dot row is formed in the vertical direction so as to be substantially aligned with the InAs quantum dots 65 of the first layer.
【0011】図6(b)参照 この縦方向の量子ドット列を多層に渡って形成したのが
図6(b)であり、この場合には、(001)面のGa
As基板(図示せず)上に、510℃の基板温度条件で
MBE法(分子線エピタキシャル成長法)を用いて、厚
さ200nmのGaAsバッファ層61を介して、厚さ
1.8MLのInAs層62及び厚さ15nmのGaA
sスペーサ層63を交互に50周期成長させたものであ
る。See FIG. 6B. This vertical quantum dot array is formed in multiple layers as shown in FIG. 6B. In this case, Ga of the (001) plane is formed.
An InAs layer 62 having a thickness of 1.8 ML is formed on an As substrate (not shown) using a MBE method (molecular beam epitaxial growth method) under a substrate temperature condition of 510 ° C. via a GaAs buffer layer 61 having a thickness of 200 nm. And GaA with a thickness of 15 nm
The s spacer layers 63 are alternately grown for 50 cycles.
【0012】この場合、InAs量子ドット65が縦方
向に約4層重なるのが観測され、最大は6層であった。
なお、InAs層62の厚さを2.5MLにした場合に
は、最大9層の縦方向の量子ドット列が観測された。In this case, about 4 layers of InAs quantum dots 65 were observed to be vertically stacked, and the maximum was 6 layers.
When the thickness of the InAs layer 62 was set to 2.5 ML, a maximum of 9 quantum dot arrays in the vertical direction were observed.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記提案にお
いてはこの縦方向のInAs量子ドット列が形成される
現象が確認されているだけで、その用途としては光記憶
装置、或いは、多重トンネル接合を利用した単電子装置
が抽象的に示唆されているだけで、具体的な素子構造、
及び、動作機構は提案されていないものである。However, in the above proposal, only the phenomenon that the InAs quantum dot arrays in the vertical direction are formed has been confirmed, and the application thereof is an optical storage device or a multiple tunnel junction. The single element device used is only abstractly suggested, and the specific element structure,
Also, the operating mechanism has not been proposed.
【0014】したがって、本発明は、この縦方向のIn
As量子ドット列を利用した感磁性素子等の具体的な半
導体量子ドット装置の構造及びその使用方法を提案し
て、縦方向のInAs量子ドット列の実用化を目指すこ
とを目的とするものである。Therefore, according to the present invention, this vertical In
It is intended to propose a specific structure of a semiconductor quantum dot device such as a magnetic sensitive element using an As quantum dot array and a method of using the same to aim at practical application of a vertical InAs quantum dot array. .
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図1を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図1(a)参照 (1)本発明は、半導体量子ドット装置において、縦方
向に積層された量子ドット列を構成する量子ドット6間
のキャリア10の移動を、磁場により制御することを特
徴とする。FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG. See FIG. 1 (a). (1) The present invention is characterized in that, in a semiconductor quantum dot device, the movement of carriers 10 between quantum dots 6 constituting a vertically stacked quantum dot array is controlled by a magnetic field. To do.
【0016】図1(b)及び(c)参照 この様な半導体量子ドット装置に磁場を印加すると一方
の量子ドット6の基底準位9から他方の量子ドット6の
基底準位9に移動(遷移)するキャリア10、即ち、電
子10は垂直磁場Bの影響を受けてサイクロトロン運動
を行うことになり、それに伴って電子10のエネルギー
が変化することになる。したがって、磁場が強いほどサ
イクロトロン運動の影響を大きく受けるために、電子の
遷移確率が小さくなるので、電子の遷移を磁場によって
制御することができる。1B and 1C, when a magnetic field is applied to such a semiconductor quantum dot device, it moves from the ground level 9 of one quantum dot 6 to the ground level 9 of the other quantum dot 6 (transition). The carrier 10 which is), that is, the electron 10, is affected by the vertical magnetic field B to perform cyclotron motion, and the energy of the electron 10 is changed accordingly. Therefore, the stronger the magnetic field is, the more it is affected by the cyclotron motion, and thus the transition probability of electrons becomes small, so that the transition of electrons can be controlled by the magnetic field.
【0017】この場合、量子ドット6の大きさは30n
m以下であるので、電子10の出射面積及び入射面積が
小さくなり、磁場Bに対する感度を極めて大きくするこ
とができる。In this case, the size of the quantum dot 6 is 30n.
Since it is m or less, the emission area and the incident area of the electron 10 are reduced, and the sensitivity to the magnetic field B can be extremely increased.
【0018】(2)また、本発明は、上記(1)におい
て、キャリア10の移動がトンネル現象によるものであ
ることを特徴とする。(2) Further, the present invention is characterized in that, in the above (1), the movement of the carrier 10 is due to a tunnel phenomenon.
【0019】一方の量子ドット6と他方の量子ドット6
との間のスペーサ層3を薄くすることによって、一方の
量子ドット6の基底準位9と他方の量子ドット6の基底
準位9の間の電子10の遷移はトンネル現象で行われる
ようになり、このトンネル遷移が磁場Bによって制御さ
れることになる。One quantum dot 6 and the other quantum dot 6
By thinning the spacer layer 3 between and, the transition of the electron 10 between the ground level 9 of one quantum dot 6 and the ground level 9 of the other quantum dot 6 becomes a tunnel phenomenon. , This tunnel transition will be controlled by the magnetic field B.
【0020】即ち、磁場Bが印加されない状態で、所定
の電圧を印加した場合に、両方の量子ドット6の基底準
位9が略等しく電流が流れている半導体量子ドット装置
に、垂直磁場Bを印加した場合、電子は磁場Bの影響を
受け、そのエネルギー状態が変化するので、右側の量子
ドット6の基底準位9のエネルギーと一致しなくなり、
遷移確率が急激に減少して電流が流れなくなる。That is, when a predetermined voltage is applied in the state where the magnetic field B is not applied, the vertical magnetic field B is applied to the semiconductor quantum dot device in which the ground levels 9 of both quantum dots 6 have substantially equal currents. When applied, the electron is affected by the magnetic field B and its energy state changes, so that it does not match the energy of the ground level 9 of the right quantum dot 6,
The transition probability decreases sharply and the current stops flowing.
【0021】(3)また、本発明は、半導体量子ドット
装置において、縦方向において対向する二つの独立した
量子ドットの間に量子ドット列を設けたことを特徴とす
る。(3) Further, the present invention is characterized in that, in the semiconductor quantum dot device, a quantum dot row is provided between two independent quantum dots facing each other in the vertical direction.
【0022】この場合、一方の独立した量子ドットから
量子ドット列に注入された電子は、通常の単層のベース
層における場合と比べて、電子の受ける散乱の確率が非
常に小さくなるので、高電流利得であり、また、非常に
高速なデバイスとして動作することができる。In this case, the electrons injected from one independent quantum dot into the quantum dot array have a very low probability of scattering due to the electrons, as compared with the case of an ordinary single-layer base layer, and thus the high probability. It is a current gain and can also operate as a very fast device.
【0023】(4)また、本発明は、上記(3)におい
て、二つの独立した量子ドットを夫々エミッタ領域及び
コレクタ領域とし、且つ、量子ドット列をベース領域と
することを特徴とする。(4) Further, the present invention is characterized in that in the above (3), two independent quantum dots are used as an emitter region and a collector region, respectively, and a quantum dot row is used as a base region.
【0024】この様な半導体量子ドット装置をHET
(ホットエレクトロントランジスタ)とすることによっ
て、高速論理回路装置等の高速半導体装置を形成するこ
とができる。The semiconductor quantum dot device as described above is HET
By using (hot electron transistor), a high-speed semiconductor device such as a high-speed logic circuit device can be formed.
【0025】(5)また、本発明は、上記(3)または
(4)において、二つの独立した量子ドット間のキャリ
ア10の移動を磁場によって制御することを特徴とす
る。このようなHET構造の半導体量子ドットにより、
高感度の感磁性素子を形成することができる。(5) Further, the present invention is characterized in that, in the above (3) or (4), the movement of the carrier 10 between two independent quantum dots is controlled by a magnetic field. With such a HET structure semiconductor quantum dot,
It is possible to form a highly sensitive magnetic element.
【0026】(6)また、本発明は、上記(1)乃至
(5)のいずれかに記載された半導体量子ドット装置の
使用方法において、磁場Bによるキャリア10の輸送効
率の変化を電流の変化とすることを特徴とする。(6) Further, in the present invention, in the method of using the semiconductor quantum dot device described in any one of the above (1) to (5), a change in transport efficiency of carriers 10 due to a magnetic field B is caused by a change in current. It is characterized by
【0027】この様に、半導体量子ドット装置を流れる
電流を磁場Bによって制御することにより、高感度の磁
気制御スイッチ素子等の感磁性素子を構成することがで
きる。As described above, by controlling the current flowing through the semiconductor quantum dot device by the magnetic field B, a magnetic sensitive element such as a highly sensitive magnetic control switch element can be constructed.
【0028】(7)また、本発明は、上記(1)乃至
(5)のいずれかに記載された半導体量子ドット装置の
使用方法において、電流Bの磁場による変化に基づいて
磁場の強度を測定することを特徴とする。(7) Further, in the present invention, in the method of using the semiconductor quantum dot device according to any one of the above (1) to (5), the strength of the magnetic field is measured based on the change of the electric current B with the magnetic field. It is characterized by doing.
【0029】この様に、一定バイアス時における半導体
量子ドット装置を流れる電流の変化を読み取ることによ
って、磁場Bの強度を高精度に測定することができる。As described above, the intensity of the magnetic field B can be measured with high accuracy by reading the change in the current flowing through the semiconductor quantum dot device at a constant bias.
【0030】[0030]
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施の形態を図2
を参照して説明する。 図2(a)参照 まず、(001)面のn型GaAs基板11上に、基板
温度を510℃とした状態でMBE法を用いて、バリア
層として機能する厚さ200nmのn型GaAsバッフ
ァ層12、厚さ1.8MLのInAs層13、厚さ10
nmのi型GaAsスペーサ層14、厚さ1.8MLの
InAs層15、及び、コンタクト層としても機能する
n型GaAsバリア層16を順次エピタキシャル成長さ
せる。この場合、InAsとGaAsとの格子定数の差
に起因する歪みにより二つのInAs量子ドット17が
縦方向に整列して形成される。FIG. 2 shows a first embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIG. See FIG. 2A. First, an n-type GaAs buffer layer having a thickness of 200 nm, which functions as a barrier layer, is formed on the (001) -faced n-type GaAs substrate 11 by using the MBE method at a substrate temperature of 510 ° C. 12, InAs layer 13 having a thickness of 1.8 ML, thickness 10
The i-type GaAs spacer layer 14 having a thickness of 1.8 nm, the InAs layer 15 having a thickness of 1.8 ML, and the n-type GaAs barrier layer 16 also functioning as a contact layer are sequentially epitaxially grown. In this case, two InAs quantum dots 17 are vertically aligned and formed due to strain caused by a difference in lattice constant between InAs and GaAs.
【0031】次いで、Au・Ge等の導電膜を堆積させ
て一対の電極18,19を形成することによって半導体
量子ドット装置が完成する。なお、この場合、実際には
複数の量子ドット列が形成されるので、一個の量子ドッ
ト列のみにより半導体量子ドット装置を構成する場合に
は、量子ドットの分布密度に応じて、平均一つの量子ド
ットが含まれる大きさの電極18,19を形成する必要
がある。Next, a semiconductor quantum dot device is completed by depositing a conductive film such as Au.Ge to form the pair of electrodes 18 and 19. In this case, since a plurality of quantum dot arrays are actually formed, when the semiconductor quantum dot device is configured by only one quantum dot array, one quantum dot is averaged according to the distribution density of the quantum dots. It is necessary to form the electrodes 18 and 19 having a size including dots.
【0032】図2(b)参照 この半導体量子ドット装置に電源20より所定の電圧、
例えば、0.2Vの電圧を印加することによって、−の
電位が印加される側の量子ドット17の基底準位21に
ある電子22がi型GaAsスペーサ層14をトンネル
して、他方の量子ドット17の基底準位に遷移すること
によって電流が流れる。See FIG. 2B. This semiconductor quantum dot device is supplied with a predetermined voltage from the power source 20.
For example, by applying a voltage of 0.2 V, the electrons 22 at the ground level 21 of the quantum dot 17 on the side to which the − potential is applied tunnels through the i-type GaAs spacer layer 14 and the other quantum dot. A current flows due to the transition to the 17th ground level.
【0033】図2(c)参照 しかし、この半導体量子ドット装置の積層方向に垂直な
磁場Bを印加することにより、電子22はサイクロトロ
ン運動をし、エネルギー状態が変化することによって、
他方の量子ドット17の基底準位21とエネルギーが異
なることになりり、遷移すべき基底準位21を失うので
磁場Bの増加と共にステップファンクション的に遷移確
率が低下する。However, by applying a magnetic field B perpendicular to the stacking direction of this semiconductor quantum dot device, the electrons 22 undergo cyclotron motion and their energy states change,
The energy is different from the ground level 21 of the other quantum dot 17, and the ground level 21 to be transitioned is lost, so that the transition probability decreases stepwise as the magnetic field B increases.
【0034】また、この場合、量子ドット17の横方向
の大きさは30nm以下と小さく、量子ドット17内の
電子21は極めて限られた状態しか取り得ないので磁場
Bに対する感度は非常に高くなり、磁場Bに印加により
半導体量子ドット装置の導通を高感度に制御することが
できるので、磁場Bをスイッチング手段とする高性能の
感磁性素子を構成することができる。なお、この量子ド
ット17の物理的大きさは30nm以下であるが、空乏
層や界面準位の影響によって実効的大きさは10nm以
下になっているものと推測される。Further, in this case, the size of the quantum dot 17 in the lateral direction is as small as 30 nm or less, and the electrons 21 in the quantum dot 17 can be in a very limited state, so that the sensitivity to the magnetic field B becomes very high. Since the conduction of the semiconductor quantum dot device can be controlled with high sensitivity by applying the magnetic field B, a high-performance magnetic sensitive element using the magnetic field B as a switching means can be constructed. Although the physical size of the quantum dot 17 is 30 nm or less, it is presumed that the effective size is 10 nm or less due to the influence of the depletion layer and the interface state.
【0035】次に、図3を参照して本発明の第2の実施
の形態を説明する。 図3(a)参照 まず、半絶縁性GaAs基板23上に、基板温度を51
0℃とした状態でMBE法を用いて、バリア層として機
能する厚さ200nmのn型GaAsバッファ層12、
厚さ1.8MLのInAs層13、厚さ10nmのi型
GaAsスペーサ層14、厚さ1.8MLのInAs層
15、及び、コンタクト層としても機能するn型GaA
sバリア層16を順次エピタキシャル成長させる。この
場合にも、InAsとGaAsとの格子定数の差に起因
する歪みにより二つのInAs量子ドット17からなる
量子ドット列が複数列(図においては3列)形成され
る。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. See FIG. 3A. First, on the semi-insulating GaAs substrate 23, the substrate temperature is set to 51.
Using the MBE method at 0 ° C., an n-type GaAs buffer layer 12 having a thickness of 200 nm, which functions as a barrier layer,
A 1.8 ML thick InAs layer 13, a 10 nm thick i-type GaAs spacer layer 14, a 1.8 ML thick InAs layer 15, and an n-type GaA also functioning as a contact layer.
The s barrier layer 16 is sequentially epitaxially grown. Also in this case, a plurality of quantum dot rows (three rows in the figure) including the two InAs quantum dots 17 are formed due to the strain caused by the difference in lattice constant between InAs and GaAs.
【0036】次いで、n型GaAsバリア層16乃至I
nAs層13を選択的にエッチングしてn型GaAsバ
ッファ層12を露出させたのち、Au・Ge等の導電膜
を堆積させて一対の電極18,19を形成することによ
って半導体量子ドット装置が完成する。Next, the n-type GaAs barrier layers 16 to I are formed.
A semiconductor quantum dot device is completed by selectively etching the nAs layer 13 to expose the n-type GaAs buffer layer 12 and then depositing a conductive film such as Au.Ge to form a pair of electrodes 18 and 19. To do.
【0037】図3(b)参照 この場合、各量子ドット列における量子ドット17の大
きさは適当に分布しており、この半導体量子ドット装置
に電源20より所定の電圧を印加すると、各量子ドット
列におけるステップファンクション的に電流が変化する
位置が異なり、全体としては各量子ドット列の平均特性
が現れることになり、そのような全体の電流の磁場依存
性は実線で示すように逆比例的な傾向を表すことにな
る。なお、図3(b)における破線は量子ドット17の
サイズが均一な場合の特性示すもので、図2(a)に示
す半導体量子ドット装置の特性と同様である。In this case, the size of the quantum dots 17 in each quantum dot array is appropriately distributed, and when a predetermined voltage is applied from the power source 20 to this semiconductor quantum dot device, each quantum dot is The position where the current changes stepwise in the sequence is different, and the average characteristic of each quantum dot sequence appears as a whole, and the magnetic field dependence of such overall current is inversely proportional as shown by the solid line. It will show a tendency. The broken line in FIG. 3B shows the characteristics when the size of the quantum dots 17 is uniform, and is the same as the characteristics of the semiconductor quantum dot device shown in FIG. 2A.
【0038】したがって、電流Iは磁場Bの増加に対し
て略リニアに低減することになるので、半導体量子ドッ
ト装置を流れる電流Iを電流計24によって計測するこ
とによって磁場の強度Bを精度良く測定することがで
き、高感度の磁気検出素子を構成することができる。Therefore, since the current I is reduced substantially linearly with the increase of the magnetic field B, the current I flowing through the semiconductor quantum dot device is measured by the ammeter 24 to accurately measure the magnetic field strength B. Therefore, a highly sensitive magnetic detection element can be constructed.
【0039】この第2の実施の形態においては、電極1
8,19を全面に形成することができるので第1の実施
の形態と比較して製造が容易になり、また、磁場Bをバ
イアス手段として用いた場合には、第1の実施の形態の
ようにスイッチング素子としてではなく、アナログ的に
電流Iを制御することができる。In the second embodiment, the electrode 1
Since 8 and 19 can be formed on the entire surface, the manufacturing is easier than in the first embodiment, and when the magnetic field B is used as the bias means, it is as in the first embodiment. The current I can be controlled in an analog manner, not as a switching element.
【0040】次に、図4を参照して、本発明の第3の実
施の形態を説明する。 図4(a)参照 まず、半絶縁性GaAs基板41上に、基板温度を51
0℃とした状態でMBE法を用いて、バリア層として機
能する厚さ200nmのn型GaAsバッファ層42、
厚さ1.8MLのInAs層43、及び、厚さ25nm
のi型GaAsコレクタバリア層44を成長させたの
ち、厚さ1.8MLのInAs層45、厚さ5nmのi
型のGaAsスペーサ層46を交互に複数層、図の場合
には5層成長させ、次いで、厚さ10nmのi型GaA
sエミッタバリア層47、厚さ1.8MLのInAs層
48、及び、コンタクト層としても機能するn型GaA
sバリア層49を順次エピタキシャル成長させる。Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. See FIG. 4A. First, the substrate temperature is set to 51 on the semi-insulating GaAs substrate 41.
Using the MBE method at 0 ° C., an n-type GaAs buffer layer 42 having a thickness of 200 nm, which functions as a barrier layer,
1.8 ML thick InAs layer 43 and 25 nm thick
After growing the i-type GaAs collector barrier layer 44, the InAs layer 45 having a thickness of 1.8 ML and the iAs having a thickness of 5 nm are formed.
-Type GaAs spacer layers 46 are alternately grown in a plurality of layers, five layers in the case of the figure, and then a 10 nm-thick i-type GaA layer is grown.
s emitter barrier layer 47, InAs layer 48 having a thickness of 1.8 ML, and n-type GaA also functioning as a contact layer
The s barrier layer 49 is sequentially epitaxially grown.
【0041】この場合にも、InAsとGaAsとの格
子定数の差に起因する歪みにより二つの独立したInA
s量子ドット51,52が形成されると共に、この量子
ドット51,52の位置と縦方向に整列した連続した量
子ドット列53が形成されることになる。なお、この連
続した量子ドット列53は各量子ドットの境界が曖昧
で、量子細線(二次元量子井戸)の様に振る舞うことに
なる。Also in this case, two independent InA layers are formed due to the strain caused by the difference in lattice constant between InAs and GaAs.
The s quantum dots 51 and 52 are formed, and a continuous quantum dot row 53 aligned vertically with the positions of the quantum dots 51 and 52 is formed. In this continuous quantum dot array 53, the boundary of each quantum dot is ambiguous, and it behaves like a quantum wire (two-dimensional quantum well).
【0042】また、この第3の実施の形態の半導体量子
ドット装置は3端子のHET(ホットエレクトロントラ
ンジスタ)として動作させるものであるため、連続した
量子ドット列53の存在するベース領域に電位を印加す
る必要があり、そのためにi型のGaAsスペーサ層4
6の一部、図においては一層をn型GaAsスペーサ層
50に置き換える。Since the semiconductor quantum dot device according to the third embodiment operates as a 3-terminal HET (hot electron transistor), a potential is applied to the base region where the continuous quantum dot array 53 exists. I-type GaAs spacer layer 4
A part of 6, and in the figure, one layer is replaced with an n-type GaAs spacer layer 50.
【0043】次いで、n型GaAsバリア層49乃至I
nAs層43を選択的にエッチングしてn型GaAsバ
ッファ層42を露出させ、次いで、n型GaAsバリア
層49乃至InAs層43を選択的にエッチングしてn
型GaAsスペーサ層50を露出させたのち、Au・G
e等の導電膜を堆積させてエミッタ電極54、ベース電
極55、及び、コレクタ電極56を形成することによっ
て半導体量子ドット装置が完成する。Next, the n-type GaAs barrier layers 49 to I are formed.
The nAs layer 43 is selectively etched to expose the n-type GaAs buffer layer 42, and then the n-type GaAs barrier layers 49 to InAs layers 43 are selectively etched to n.
After exposing the type GaAs spacer layer 50, Au.G
A semiconductor quantum dot device is completed by depositing a conductive film such as e to form the emitter electrode 54, the base electrode 55, and the collector electrode 56.
【0044】図4(b)参照 この半導体量子ドット装置にHETと同様の電位を印加
した場合、エミッタ側の量子ドット52の基底準位に存
在する電子57はi型GaAsエミッタバリア層48を
トンネルして、ベース領域となる対応する連続した量子
ドット列53にホットエレクトロンとして注入し、i型
GaAsコレクタバリア層44を越えてコレクタ側の量
子ドット51に到達することになる。When a potential similar to HET is applied to this semiconductor quantum dot device, the electrons 57 existing at the ground level of the quantum dot 52 on the emitter side tunnel through the i-type GaAs emitter barrier layer 48. Then, it is injected as hot electrons into the corresponding continuous quantum dot array 53 which becomes the base region, and reaches the collector-side quantum dot 51 through the i-type GaAs collector barrier layer 44.
【0045】この場合、ベース領域は連続した量子ドッ
ト列53で構成されているため通常のバルク層からなる
ベース領域と比較して電子の散乱が非常に小さくなるの
で、高速で高性能のHETを実現することが可能とな
る。In this case, since the base region is composed of the continuous quantum dot array 53, the electron scattering is much smaller than that of the base region made of a normal bulk layer, so that a high-speed and high-performance HET can be obtained. It can be realized.
【0046】また、この場合も、実際には、連続した量
子ドット列53は複数列形成されることになるが、連続
した量子ドット列53の形成確率は低くなるので、連続
した量子ドット列53の分布密度が小さく、したがっ
て、平均的に一つの連続した量子ドット列53を含む面
積が大きくなるので、一つの連続した量子ドット列53
に対応するエミッタ電極54の形成が容易になる。Also in this case, a plurality of consecutive quantum dot rows 53 are actually formed, but since the probability of forming the consecutive quantum dot rows 53 is low, the consecutive quantum dot rows 53 are formed. Has a small distribution density, and therefore, the area including one continuous quantum dot row 53 is large on average, so that one continuous quantum dot row 53
It becomes easy to form the emitter electrode 54 corresponding to.
【0047】さらに、この第3の実施の形態の半導体量
子ドット装置における連続した量子ドット列53を複数
列設けた状態のままで使用することによって、高電流利
得のHETを実現することができる。Furthermore, by using the continuous quantum dot array 53 in the semiconductor quantum dot device of the third embodiment in a state where a plurality of continuous quantum dot arrays 53 are provided, it is possible to realize HET with high current gain.
【0048】次に、図5を参照して、本発明の第4の実
施の形態を説明する。 図5参照 まず、第3の実施の形態と同様に、半絶縁性GaAs基
板41上に、基板温度を510℃とした状態でMBE法
を用いて、バリア層として機能する厚さ200nmのn
型GaAsバッファ層42、厚さ1.8MLのInAs
層43、及び、厚さ25nmのi型GaAsコレクタバ
リア層44を成長させたのち、厚さ1.8MLのInA
s層45、厚さ5nmのi型のGaAsスペーサ層46
を交互に複数層、図の場合には5層成長させ、次いで、
厚さ10nmのi型GaAsエミッタバリア層47、厚
さ1.8MLのInAs層48、及び、コンタクト層と
しても機能するn型GaAsバリア層49を順次エピタ
キシャル成長させる。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 5, first, as in the third embodiment, an n-thick film having a thickness of 200 nm that functions as a barrier layer is formed on the semi-insulating GaAs substrate 41 by MBE at a substrate temperature of 510 ° C.
-Type GaAs buffer layer 42, 1.8 ML thick InAs
After growing the layer 43 and the i-type GaAs collector barrier layer 44 having a thickness of 25 nm, the InA having a thickness of 1.8 ML is formed.
s layer 45, i-type GaAs spacer layer 46 having a thickness of 5 nm
Alternately, a plurality of layers, in the case of the figure, five layers are grown, and then,
An i-type GaAs emitter barrier layer 47 having a thickness of 10 nm, an InAs layer 48 having a thickness of 1.8 ML, and an n-type GaAs barrier layer 49 also functioning as a contact layer are sequentially epitaxially grown.
【0049】この場合にも、InAsとGaAsとの格
子定数の差に起因する歪みによりエミッタ側とコレクタ
側に互いに対向する複数の独立したInAs量子ドット
51,52が形成されると共に、この量子ドット51,
52の位置と縦方向に整列した連続した量子ドット列5
3が複数列形成される。Also in this case, a plurality of independent InAs quantum dots 51, 52 facing each other are formed on the emitter side and the collector side due to the strain caused by the difference in lattice constant between InAs and GaAs, and the quantum dots are formed. 51,
A continuous quantum dot array 5 aligned vertically with the position of 52
3 are formed in a plurality of rows.
【0050】次いで、n型GaAsバリア層49乃至I
nAs層43を選択的にエッチングしてn型GaAsバ
ッファ層42を露出させたのち、Au・Ge等の導電膜
を堆積させてエミッタ電極54及びコレクタ電極56を
形成することによって半導体量子ドット装置が完成す
る。Next, the n-type GaAs barrier layers 49 to I are formed.
After selectively etching the nAs layer 43 to expose the n-type GaAs buffer layer 42, a conductive film of Au.Ge or the like is deposited to form an emitter electrode 54 and a collector electrode 56. Complete.
【0051】また、この第4の実施の形態の半導体量子
ドット装置の場合には、2端子型の感磁性素子であるた
め、第3の実施の形態とはことなりi型のGaAsスペ
ーサ層46の一部、図においては一層をn型GaAsス
ペーサ層50に置き換える必要はない。Further, in the case of the semiconductor quantum dot device of the fourth embodiment, since it is a two-terminal type magnetic sensitive element, the i-type GaAs spacer layer 46 is different from the third embodiment. It is not necessary to replace a part of the n-type GaAs spacer layer 50 in the figure.
【0052】この半導体量子ドット装置に所定の電圧を
印加した状態で磁場Bを印加した場合には、磁場Bを印
加することによってベース領域を走行するホットエレク
トロンのエネルギーが低下し、所定の磁場以上ではi型
GaAsコレクタバリア層44をエネルギー的に越える
ことができなくなり、電流が流れなくなる。この場合に
は、連続した量子ドット列53の数を増加することによ
って大きな出力を取ることができる。When a magnetic field B is applied to this semiconductor quantum dot device while applying a predetermined voltage, the energy of hot electrons traveling in the base region is lowered by applying the magnetic field B, and the magnetic field B is equal to or higher than the predetermined magnetic field. Then, the i-type GaAs collector barrier layer 44 cannot be exceeded in terms of energy, and no current flows. In this case, a large output can be obtained by increasing the number of consecutive quantum dot rows 53.
【0053】なお、上記の各実施の形態においては、量
子ドットを形成するために、バリヤ層及びスペーサ層と
してGaAsを、また、ウエル層としてInAsを用い
ているが、この様な組み合わせに限られるものではな
く、GaAsとInAsとの組合せ、或いは、InGa
PとInAsとの組合せを用いても良い。In each of the above-mentioned embodiments, GaAs is used as the barrier layer and the spacer layer and InAs is used as the well layer in order to form the quantum dots, but the combination is not limited to this. Not a combination of GaAs and InAs, or InGa
A combination of P and InAs may be used.
【0054】また、上記の各実施の形態においては、キ
ャリアとして電子を用いたn型素子として説明している
が、実施の形態におけるn型層をp型層に置き換えるこ
とによって、キャリアとして正孔を用いたp型素子とし
ても良い。In each of the above-described embodiments, an n-type element using electrons as carriers has been described. However, by replacing the n-type layer in the embodiments with a p-type layer, holes are used as carriers. A p-type element using
【0055】[0055]
【発明の効果】本発明によれば、ウエル層と、バリア層
及びスペーサ層との格子定数の差に基づく歪みによって
量子ドットを縦方向に整列した状態で形成することがで
きるので、この整列した量子ドット列を構成する量子ド
ット間のキャリアの遷移、輸送を磁場で制御することに
よって、高感度の感磁性素子を実現することが可能にな
り、また、HETとして用いることにより高電流利得の
トランジスタを実現することが可能になる。According to the present invention, quantum dots can be formed in a longitudinally aligned state by strain due to the difference in lattice constant between the well layer and the barrier layer and the spacer layer. It is possible to realize a highly sensitive magnetic sensitive element by controlling the transition and transport of carriers between quantum dots forming a quantum dot array by a magnetic field, and a transistor with a high current gain when used as a HET. Can be realized.
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a principle configuration of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第2の実施の形態の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a second embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第3の実施の形態の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a third embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第4の実施の形態の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a fourth embodiment of the present invention.
【図6】従来の量子ドット列の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional quantum dot array.
1 バリア層 2 ウエル層 3 スペーサ層 4 ウエル層 5 バリア層 6 量子ドット 7 電極 8 電極 9 基底準位 10 キャリア 11 n型GaAs基板 12 n型GaAsバッファ層 13 InAs層 14 i型GaAsスペーサ層 15 InAs層 16 n型GaAsバリア層 17 量子ドット 18 電極 19 電極 20 電源 21 基底準位 22 電子 23 半絶縁性GaAs基板 24 電流計 41 半絶縁性GaAs基板 42 n型GaAsバッファ層 43 InAs層 44 i型GaAsコレクタバリア層 45 InAs層 46 GaAsスペーサ層 47 i型GaAsエミッタバリア層 48 InAs層 49 n型GaAs層 50 n型GaAsスペーサ層 51 量子ドット 52 量子ドット 53 連続した量子ドット列 54 エミッタ電極 55 ベース電極 56 コレクタ電極 61 GaAsバッファ層 62 InAs層 63 GaAsスペーサ層 64 GaAsバリア層 65 量子ドット 66 ウェッティングレイヤー 1 Barrier Layer 2 Well Layer 3 Spacer Layer 4 Well Layer 5 Barrier Layer 6 Quantum Dot 7 Electrode 8 Electrode 9 Base Level 10 Carrier 11 n-type GaAs Substrate 12 n-type GaAs Buffer Layer 13 InAs Layer 14 i-type GaAs Spacer Layer 15 InAs Layer 16 n-type GaAs barrier layer 17 quantum dot 18 electrode 19 electrode 20 power supply 21 ground level 22 electron 23 semi-insulating GaAs substrate 24 ammeter 41 semi-insulating GaAs substrate 42 n-type GaAs buffer layer 43 InAs layer 44 i-type GaAs Collector barrier layer 45 InAs layer 46 GaAs spacer layer 47 i-type GaAs emitter barrier layer 48 InAs layer 49 n-type GaAs layer 50 n-type GaAs spacer layer 51 quantum dots 52 quantum dots 53 continuous quantum dot row 54 emitter electrode 55 base Electrode 56 collector electrode 61 GaAs buffer layer 62 InAs layer 63 GaAs spacer layer 64 GaAs barrier layer 65 quantum dots 66 wetting layer
Claims (7)
する量子ドット間のキャリアの移動を、磁場により制御
することを特徴とする半導体量子ドット装置。1. A semiconductor quantum dot device characterized in that movement of carriers between quantum dots constituting a vertically stacked quantum dot array is controlled by a magnetic field.
よるものであることを特徴とする請求項1記載の半導体
量子ドット装置。2. The semiconductor quantum dot device according to claim 1, wherein the movement of the carriers is due to a tunnel phenomenon.
量子ドットの間に量子ドット列を設けたことを特徴とす
る半導体量子ドット装置。3. A semiconductor quantum dot device, wherein a quantum dot array is provided between two independent quantum dots that face each other in the vertical direction.
ミッタ領域及びコレクタ領域とし、且つ、上記量子ドッ
ト列をベース領域とすることを特徴とする請求項3記載
の半導体量子ドット装置。4. The semiconductor quantum dot device according to claim 3, wherein the two independent quantum dots serve as an emitter region and a collector region, respectively, and the quantum dot array serves as a base region.
リアの移動を、磁場によって制御することを特徴とする
請求項3または4に記載の半導体量子ドット装置。5. The semiconductor quantum dot device according to claim 3, wherein movement of carriers between the two independent quantum dots is controlled by a magnetic field.
半導体量子ドット装置の使用方法において、磁場による
キャリアの輸送効率の変化を電流の変化とすることを特
徴とする半導体量子ドット装置の使用方法。6. The method for using the semiconductor quantum dot device according to claim 1, wherein a change in carrier transport efficiency due to a magnetic field is a change in current. How to use.
半導体量子ドット装置の使用方法において、電流の磁場
による変化に基づいて磁場の強度を測定することを特徴
とする半導体量子ドット装置の使用方法。7. The method of using the semiconductor quantum dot device according to claim 1, wherein the intensity of the magnetic field is measured based on a change in the current due to the magnetic field. How to use.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26817695A JPH09116169A (en) | 1995-10-17 | 1995-10-17 | Semiconductor quantum dot device and method of using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26817695A JPH09116169A (en) | 1995-10-17 | 1995-10-17 | Semiconductor quantum dot device and method of using the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09116169A true JPH09116169A (en) | 1997-05-02 |
Family
ID=17454977
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP26817695A Withdrawn JPH09116169A (en) | 1995-10-17 | 1995-10-17 | Semiconductor quantum dot device and method of using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09116169A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1995
- 1995-10-17 JP JP26817695A patent/JPH09116169A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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